[发明专利]一种基于柔性铰链的三自由度精密调节装置

说明书

技术领域

本发明涉及三自由度精密调节装置，尤其是涉及一种基于柔性铰链的三自由度精密调节装置。

背景技术

在浸没式光刻机中，要求在最后一片投影物镜和硅片之间填充一层浸没流场。浸没流场由浸没单元产生，而为了防止浸没流场泄漏，要求浸没单元与硅片之间的缝隙在1mm以内，同时对该缝隙有严格的平行度要求；而在浸没式光刻机工作过程中会对浸没单元有一系列的操作，在这些操作过后，仍要求浸没单元与硅片间的浸没流场缝隙满足要求。这就需要有一种精密位姿调节装置来调节浸没单元的位姿以满足浸没式光刻机的要求。

此外，光刻机是一种机构高度集成的设备，在有限的空间中要将复杂的光学系统以及相应的配套机构组合到一起，所以对其各个部件都有严格的安装空间限制，故对于浸没单元的位姿调节机构而言，安装空间要求苛刻。

现在常用的位姿调节机构有很多，按机械结构分大体可以分为串联式、并联式和混合式三类。并联式位姿调节机构较其他两种调节机构有刚度高、工作空间小、负载能力强、惯性小、误差均匀化、成本低等优点。不过传统的并联位姿调节结构采用传统运动副组成并联机构的支链，这样的调节机构有三个缺点，即：传统运动副所占空间大，运动副存在间隙，在微位移范围内机构存在爬行现象。也有采用柔性铰链实现的并联位姿调节机构，但其单条运动支链采用单个柔性铰链支链，这样系统刚度小，承载小。

发明内容

为了实现浸没式光刻机中浸没单元位姿的精密调节，本发明的目的在于提供一种基于柔性铰链的三自由度精密调节装置，具有安装空间小、刚度高、无间隙等优点，实现运动平台[TZ，RX，RY]三自由度的精密调节，自由度TZ表示沿安装基板中心孔轴线Z轴方向的平移，自由度RX和RY分别表示绕X和Y轴的转动，其中X轴垂直于Z轴，Y轴垂直于X轴和Z轴。

本发明采用的技术方案如下：

本发明的基于柔性铰链的三自由度精密调节装置安装在浸没式光刻机主框架与浸没单元之间，基于柔性铰链的三自由度精密调节装置通过安装基板安装孔安装到浸没式光刻机主框架上，浸没单元通过浸没单元安装孔安装到运动平台下端面上；安装基板和运动平台之间通过三组结构相同的运动支链以并联方式相连；三组运动支链以安装基板中心孔为中心圆周分布，嵌入在安装基板外侧。

所述的三组结构相同的运动支链：均包括竖直直线运动模块、连接杆固定块、锁紧螺栓和两根连接螺栓；其中竖直直线运动模块包括由直线运动副固定部件和直线运动副运动部件构成的直线运动副、由关节轴承外圈和关节轴承内圈构成的关节轴承、压缩弹簧、关节轴承端盖、端盖螺栓和连接杆；竖直直线运动模块安装开口圆周分布在安装基板上，直线运动副固定部件安装在竖直直线运动模块安装开口的底面；在直线运动副运动部件外侧面的下端有轴承安装孔，轴承安装孔中安装关节轴承，关节轴承端盖轴向压紧关节轴承外圈；连接杆成螺栓状，其一端为螺纹，另一端为大直径台阶，连接杆螺纹端穿过关节轴承内圈，压缩弹簧一端压在连接杆大端端面上，压缩弹簧另一端压在关节轴承端盖内端面上，关节轴承端盖通过端盖螺栓连接到直线运动副运动部件上；连接杆螺纹端旋进连接杆固定块螺纹孔中，由锁紧螺栓将连接杆螺纹端锁紧在连接杆固定块螺纹孔中，连接杆固定块通过两个连接螺栓安装到运动平台柔性铰链端面上；在运动平台上与每组竖直直线运动模块对应的位置分别有一组相同并联柔性铰链， 每组并联柔性铰链由主运动副柔性铰链支链和冗余并联柔性铰链支链并联组成，并联柔性铰链外侧即为柔性铰链端面，主运动副柔性铰链支链由单个铰链关节组成，冗余并联柔性铰链支链由三个成U字型排布的铰链关节组成。

所述的三组结构相同的运动支链中，每组运动支链中直线运动副运动部件在外界驱动下沿安装基板中心孔轴线方向运动；压缩弹簧使关节轴承向运动平台中心孔方向偏载；并联柔性铰链的运动自由度是沿其主运动副柔性铰链支链中的铰链关节转动；在运动范围内，每组运动支链能独立带动运动平台运动。

本发明具有的有益效果是：

1.本发明中三组运动支链上下运动，带动运动平台对应脚在Z向处于不同位置，三点确定一个平面，故当三组运动支链运动停止后，便可确定运动平台的空间位姿，三组运动支链的运动即可实现运动平台[TZ，RX，RY]三自由度的精密调节，这样即可实现固定在运动平台上浸没单元的[TZ，RX，RY]三自由度精密调节，能实现浸没单元亚微米级精密定位。

2.本发明中压缩弹簧作用力传递到关节轴承上，消除了其上的间隙，同时采用柔性铰链结构作为转动副，无摩擦和间隙，这样整个系统的运动传递链连贯紧凑，解决了运动副间存在间隙的问题，使整个系统精度有保障。